ZigBee在楼宇自控系统中的应用

　　ZigBee作为一个开放的国际标准，为满足低成本低功耗无线传感器网络的独特需求而开发的一种无线通信技术。这个标准吸取了IEEE 802.15.4无线电规范的全部优点并可以工作在世界各地无牌照的不同频率范围。ZigBee无线网状网络(ZigBee-WMNs)被公认为是楼宇自动化和控制系统既经济又灵活的解决方案。他们有可能统一传感器，执行器，家用电器，以及资产跟踪设备的数据通信方法。他们提供了一套方案来建立一个可靠，价格合理，可以支持低数据率和低占空比的电池供电设备的骨干网络，以方便楼宇自动化和控制系统(BACs)。

　　1.无线网络在楼宇自动化中的应用情况

　　无线传感器网络可以被定义为一种传感器节点组成的网络，它涵盖范围甚广，并提供通过无线通信协议监测的地区环境信息。它可应用在很多领域，包括医疗保健、环境监测、家庭自动化和军工等。无线传感器网络因其安装简易性和成本低而具有更大的市场潜力。楼宇自动化和控制系统(BACs)的特点是存在大量的分布于建筑体内的传感器和被控对象。图1显示了部分包含于BACs的子系统，如采暖通风和空气调节(HVAC)、照明、电力、热水、消防，门禁、闭路监控和公共广播系统等。

　　无线传感器的连接取消了硬接线的相关费用。它的一个额外的好处是在改造项目中减少了来自住户和设施的阻碍。相比传感器安装在易于连线的位置，无线传感器可以安装在确实需要的位置，以优化性能，并保持同平面图的匹配。大量文献都记录了无线技术在楼宇的使用[3-8]。早期的研究中[10]概述了将无线网络是如何支持现场设备的无线通讯，如房间或区域控制器及相关的温度传感器在不同场所的使用，如学校，医院和大学等

图1 楼宇自动化和控制系统的结构

　　无线传感器网络开创了其在BACs中应用的新篇章。相对于有线网络，在BACs中的无线传感系统将更加方便快捷，更低的危险和费用。它可以集成照明，空调，保安，安防系统和其他监测网络成一个单一平台，通过优化管理降低空调的能源消耗，根据实际消费量公平分配公用事业费用，以最小的努力重新配置照明系统，建立自适应工作区和可扩展和升级的建设基础设施。通过安装在大范围的无线控制网络，许多组织可以将浪费的照明和取暖开支降低50%。

　　2.Zigbee的应用优势

　　ZigBee无线网状网络(ZigBee-WMNs)是自我组织，自我修复和易于维护的网络。在网络中的每个设备都包含一个微控制器的路由器，允许网络重新配置或扩展。如果设备丢失与相邻节点的联系，网络的自愈性能允许该节点寻找其他可以建立通信的节点通路。这一特点有助于提高网络的可靠性。

　　ZigBee技术是建立在IEEE(Institute of Electricaland Electronics Engineers，美国电气电子工程师学会)802.15.4 基础上的无线通信协议，它是一个短距离、低功耗协议，特别适合设计应用在小型的建筑物自动化设备中，比如温度自动调节装置、灯光控制设备、环境传感器等。ZigBee技术能够在低功耗下提供短距离、低速的数据传输，使用普通干电池的ZigBee 无线传感器能够持续运行2～3 年的时间。

　　另外ZigBee 技术优秀的组网能力使得它和其他无线通信技术在楼宇自动化系统中的应用相比尤其具有无可比拟的优势。

　　3 ZigBee 技术分析

　　ZigBee 技术是由一个企业之间的团体——ZigBee联盟(ZigBee Alliance)负责制定和推广。ZigBee 联盟由霍尼韦尔(Honeywell)、英维思(Invensys)、三菱电气(Mitsubishi Electric)、三星(Samsung)、摩托罗拉、飞利浦(Philips)和Ember七家国际著名公司作为发起方，截至到2004 年11月该联盟所参加的企业成员已经超过100 家，均为在行业中有重大影响的企业。

　　ZigBee 技术建立在IEEE802.15.4 标准技术之上，IEEE802.15.4 是一个支持低功耗、低数据传输率的无线网络标准，主要是设计用来进行远程监测与控制的应用。在2003 年的5 月，IEEE802.15.4 标准得到了正式批准。IEEE802.15.4 是一个简单的但功能却十分强大的数据包协议，它通过确认、错误检测、区分优先次序的通信、D S S S(Direct Sequence Spread Spectrum-直接序列扩频技术，它具有改变频率消除干扰的能力)和用户选择安全等级等技术来提供无线通信的高可靠性。IEEE802.15.4 标准同样只规定了开放式系统互联参考模型中的物理层和介质访问子层，其中物理层定义了三个许可的频率波段，它们分别是2.4GHz(最高传输速率250kbps)、915MHz(最高传输速率40kbps)和868MHz(最高传输速率20kbps)。

　　ZigBee 技术在IEEE802.15.4 所定义的基础上又增加了网络层、安全层和应用轮廓层(Application Profiles)。ZigBee支持星型、网状和树簇状的网络拓扑结构。在每一个ZigBee 网络中最多可以拥有65535 个节点，每个节点的地址由ZigBee的网络协调节点(Network Coordinator)负责分配。另外每个节点的传输范围在30～100m 之间，而且传输的距离还可以通过使用功率放大器和多跳网状网络结构得到延伸。

　　ZigBee 技术在楼宇自动化领域有广阔的发展和应用前景，首先ZigBee 技术是一项低成本、低功耗的无线解决方案，采用ZigBee 技术的无线传感器使用普通的干电池即可工作2 ～3 年的时间，而ZigBee 芯片的价格将在1～2 年时间内降低到2美元左右;其次ZigBee技术支持网状网络结构，这使得ZigBee 网络具有自组织、自修复的能力，提高了网络的可靠性;第三，ZigBee 网络支持数量众多的节点，这点对于大型的楼宇自动化系统中需要大量的传感器和控制器的场合是非常重要的。

　　4.ZigBee 技术在楼宇自动化领域的应用前景

　　根据美国著名的市场研究机构ABI Research[1]预测：内建ZigBee 无线装置的产品将从2005 年的100 万台发展到2006 年的8000 万台ZigBee 巨大的发展空间在于其技术上明显的优势以及市场定位的明确。目前国际上楼宇自控方面专家基本上形成了共识，无线通信技术在楼宇自动化的应用将不可阻挡。无线网络将不仅仅是对有线网络有益的补充、扩充，而可能是替代作用。

　　在使用ZigBee 技术的楼宇自动化系统中，无线网络的框架是网状结构， 使用一定数量的ZigBee路由器节点即可覆盖整个的建筑内部区域，而且节点数越多，系统将越可靠。另外由于网状网络结构具有自配置的功能，增加新的节点时或重新对节点进行布置时将十分方便。而无线网络的边缘是星型结构，大量内建ZigBee 无线装置的传感器或者执行器被接入网络，这些传感器使用普通的干电池就可以工作2 ～3 年时间。尽管ZigBee技术有无可比拟的优势，但其在楼宇自动化的应用还面临着和BACnet、LonTalk 以及EIB 这些主要采用有线网络的国际化标准化通信协议相融合的问题，目前采用这些通信协议的楼控产品已经十分成熟，而且在楼控领域占据着主导地位。ZigBee 技术的融入比较简单的做法是在ZigBee网络和这些异种网络之间建立相关网关作为它们之间的桥梁，那么ZigBee 将是这些有线网络的有益补充，届时整个楼宇自动化系统将出现无线网络和有线网络共存的局面，从而获得较高的经济效益。更为完善的做法是在ZigBee 技术的基础上建立与BACnet、LonTalk通信协议相类似的适用于楼宇自动化领域的整套无线通信协议，这种情况下ZigBee 将能够和这些通信协议相并驾齐驱，并有可能最终替代这些主要采用有线网络的通信协议。